Способ для измерения параметров колебаний биомеханических звеньев человека и устройство для его осуществления

 

Союз Советских

Социалистических республик

ОЛ ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

««950320 (61) Дополнительное к авт. синд-ву (22) Заявлено 29 ° 11 ° 78 (21) 2696151/28-13 с присоелиненнем заявки %в

Р (23) П риорнтет(51}М. Кд.

A 61 В 10/00

Госудерстееииый комитет

СССР

Опубликовано 15. 08. 82. Бюллетень М 30

3ата опубликования описания 15.08.82 по делам изобретений и открыти1т (53} УДК 615. 475 (088: 8) (72) Авторы изобретения

В. B. Кузнецов и Ю. П. Куроч

3 Ф. 3

1

". :".л ам а с ;;:

Всесоюзный научно-исследовательский институт„физической культуры (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОЛЕБАНИЙ БИОИЕХАНИЧЕСКИХ

ЗВЕНЬЕВ ЧЕЛОВЕКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к медицин= ской технике, а именно к методам биомеханических исследования для диагностических целей.

Известен способ измерения параметров резонансных колебаний биомеханических звеньев человека, который заключается в регистрации амплитудных, частотных и фазовых характеристик механического колебательного про цесса, совершаемого биомеханическим звеном при вибрационном механическом возбуждении колебаний 1 1).

Известен также способ измерения параметров колебаний биомеханических звеньев человека, заключающийся в регистрации амплитудных, частотных и фазовых характеристик механического колебательного процесса;.совершаемого биомеханическим звеном при статическом механическом возбуждении колебаний 12 ).

Известно устройство для осуществления измерений параметров колебаний биомеханических звеньев человека, . содержащее вибрационный возбудитель механических колебаний и регистра" тор характеристик механических ко" лебаний возбудителя, соединенные между собой, а также регистратор характеристик механических колеба" ний биомеханического звена gl).

Известно также устройство для осуществления измерений параметров колебаний биомеханических звеньев чв» ловека, содержащее статический sosт будитель механических колебаний би» омеханического звена и регистратор характеристик этих колебаний 2).

Однако известные способы и уст.m ройства для их осуществления не flo3» воляют обеспечить определение вклв да отдельной мышцы в механический колебательный процесс и определение работоспособности,мышц ввиду

950320 4

35 о

5Î

55 того, что характер возбуждения мышц постоянен в процессе регистрации, что не позволяет определить тонкую структуру энергетических состояний исследуемой биомеханической системы из-за отсутствия многопланового возбуждения мышц биомеханической системы с различной природой возбуждающих воздействий, поскольку механическое возбуждение колебаний биомеханического звена реализует вклад всех мышц звена в колебательный процесс.

Целью изобретения является обеспечение определения вклада отдельной мышцы в механический колебатель" ный процесс, а также определенис работоспособности мышц.

Поставленная цель достигается тем, что при осуществлении способа измерения параметров колебаний биомеханических звеньев человека, заключающегося в регистрации амплитуд-. ных частотных и фазовых характеристик механического колебательного процесса, совершаемого биомеханическим звеном при механическом возбуждении колебаний, производится дополнительное электромагнитное возбуждение мышц исследуемой биомеханической системы, причем одновременно пру фиксированной температуре осуществляют статическое напряжение мышц в диапазоне моментов сил 0,5-200 Нм и возбуждение отдельных мышц электрическими импульсами с непрерывно изменяемым во времени периодом следования импульсов 1-1000 мс, амплитудой импульсов в диапазоне 5-300 В и длительностью импульсов 0,05- 1О мс, определяют разность параметров отклика биомеханического звена до и после электрического и статического возбуждения мышц °

При этом для определения работоспособности мышц биомеханическое звено возбуждают при режиме его максимального отклика.

Устройство для измерения параметров колебаний биомеханических звеньев человека, содержащее возбудитель механических колебаний и регистратор характеристик механических колебаний возбудителя, соединенные между собой, биомеханическое звено с расположенным на нем регистратором характеристик механических колебаний биомехани,ческого звена, дополнительно имеет блок измерения биопотенциалов мышц, электростимулятор, терморегулирую" щий блок и блок анализа, причем возбудитель механических колебаний, электростимулятор и терморегулирующий блок воздействуют на мышцы биомеханического звена, к которым подсоединен. блок измерения биопотенциалов мышц, а выходы блока регистрации характеристик механических колебаний биомеханического звена, блока измерения биопотенциалов мышц и регистратора характеристик механических колебаний возбудителя соединены с входами блока анализа, выходы которого подключены к входам терморегулирующего блока, электростимулятора и возбудителя механических колебаний.

На чертеже изображена структурная схема устройства для осуществления способа измерения параметров колебаний биомеханических звеньев человека.

Устройство содержит биологический обьект с биомеханическим звеном 1, внешний блок упругих связей 2 с изменяемой жидкостью, регистратор 3 характеристик механических колебаний биомеханического звена, блок 4 измерения биопотенциалов мышц, электростимулятоР 5, терморегулирующий блок

6, блок 7 регистрации температуры механический возбудитель колебаний

8, регистратор 9 характеристик механических колебаний возбудителя, блок 10 анализа в виде вычислительного аналого-цифрового комплекса.

Способ осуществляется при помощи устройства следующим образом.

До начала процесса измерения в блок анализа 10 (ЭВИ И-6000) вводится программа обработки поступающей информации (например программы корреляционно-спектрального анализа) .

Кроме того, для сокращения времени измерений исходные данные могут вначале записываться на магнитограф, а затем обрабатываться.

На вход блока 4 измерения биопо тенциалов мышц, например, биоточного усилителя УБП-03, поступают электромагнитные сигналы мышц биомеханического звена. При помощи механического возбудителя колебаний 8, в качестве которого в случае динамического возбудителя может использоваться электродвигатель или сельсин, осуществляется вибрационное воздействие по заранее заданной программе

950320

В случае статического возбуждения колебаний биомеханического звена механический возбудитель 8, в качестве которого может использоваться пружина или гиря, соединенные с биохимическим звеном через блок упругих связей 2 с изменяемой жесткостью, обеспечивает условия генерации механических колебаний мышцами звена. При помощи блока упругих связей 2 с изменяемой жесткостью осущест= вляется также реализация необходимого значения жесткости всей системы при заданной величине суммарного момента внешних сил действующих на биомеханическое звено.

Зо

Э

5 через блок упругих связей 2 с изменяемой жесткостью на биомеханическое звено 1 биологического объекта. Изменение жесткости упругих связей, в качестве которых может использоваться набор пружин, происходит дискретно, изменением общего числа пружин.

Указанная совокупность дискретных внешних упругих связей и возбудителя

8 обпеспечивает механическое динамическое возбуждение биомеханической системы биологического объекта.

Выходные сигналы электростимуля тора 5 и терморегулирующего блока 6, причем последний может воздействовать как на группу звеньев, так и на биологический объект в целом

2 изменяя температуру окружающей среды (в данном случае в качестве терморегулирующего устройства может использоваться кондиционер„ а в случае локального воздействия на звено или группу звеньев терморегулирующий блок 6, состоящий например, из электронагревальной спирали, помещенной между электроизолирующими прокладками охватывающими исследуемые звенья, поверх которых расположен слой "сухого льда" (углекислого газа в твердом состоянии), с внешней стороны прижатого теплоизолирующей прокладкой, воздействуют на биомеханические звенья биологического объекта, механические колебания которых измеряются регистратором 3 характеристик механических колебаний биомеханического звена, на" пример. акселерометром, а температура - блоком 7 регистрации температуры состоящим, например, из термопары, расположенной на поверхности биомеханического звена, на которое воздей" ствует терморегулирующий блок 6 °

Выходные параметры возбудителя О измеряются регистратором 9, в качестве которого могут быть использованы тахогенераторы и разнообразные датчики механических величин, например акселерометры.

Выходные сигналы регистратора 3, блока 4 измерения биопотенциалов мышц, электростимулятора 5, блока 7 регистрации температуры и регистратора 9 поступают на входы вычислительного аналого-цифрового комплекса, в качестве которого могут быть использованы аналоговые вычислительные машины МН- 18 и ЭЦВМ М-6000. Выходы вычислительного аналого-цифрового компплекса подключены к входам возбудителя 8 (при этом, изменяя величину тока в обмотке электродвигателя, можно регулировать частоту выходных параметров возбудителя) и входу терморегулирующего блока 6, причем в процессе измерения происходит изменение температуры внутри блока 6 по заданному закону посредством изменения величины тока, протекающего через электрическю спираль блока 6.

Для исследований выбирается необходимое для диагностики биомеханическое звено 1, например, рука человека, практически здорового мужчины в возрасте 20-40 л. Испытуемый помещается в специальное кресло и жестко закрепляется ремнями таким образом, чтобы полностью исключить влияние посторонних звеньев на исследуемое биомеханическое звено. При исследовании колебаний предплечья рука испытуемо" го опирается на подлокотник и может совершать движения только в вертикальной плоскости типа "сгибание-раэгибание" в локтевом суставе. Перед испытуемым ставится задача - удерживать за рукоятку с укрепленным на ней акселерометром (регистратором меха-! нических колебаний) в растянутом со- стоянии блок пружин, причем один конец одной из пружин крепится к генератору механических колебаний в случае динамического возбуждения биомеханической системы механическим генератором, а остальные пружины " к неподвижной опоре для обеспечения квазистатического возбуждения био" логической системы, и поддерживать заданный постоянный угол, например, близкий к 90 в локтевом суставе. йидкость -внешних вязко-упругих связей пружин выбирается в диапазоне 109503!

20

Аналогичные измерения проводят для всевозможных совокупностей длительностей электрических импульсов, лежащих в диапазоне 0,05-10 мс и периода повторения импульсов 1-1000 мс.

Далее увеличением количества растягиваемых пружин дискретно увеличивается момент сил, действующий на звено в диапазоне 0,5-200 Н/м, при" чем в случае динамического механического возбуждения на другой конец од" ной.из пружин воздействует генератор механических копебаний - мотор с редуктором - с плавным изменением частоты воздействия от 0,5 до 40 Гц и цикл регистрации повторяется с каж45

400 Н/м в зависимости от типа исследуемого биомеханического звена и в частности, для руки используются пружины жесткостью 70 Н/м. величина "статических" моментов сил, дейст- 5 вующих на звено относительно мгновенной оси вращения в локтевом суставе, устанавливается равной 0,5 Нlм

Температура эквивалентного термического воздействия на звенья задается в диапазоне 0- 100 С в нашем

О

1 случае - 20 С (температура окружающего воздуха). На двуглавую и трехглавую мышцы предплечья наклеивались электроды от блока 4 измерения биопотенциалов мышц - электромиографа

"Диза" - и внешнего управляемого устройства, изменяющего функциональное состояние мышц при помощи электростимулятора 5.

На магнитографе или непосредственно в 1запоминающем устройстве ЭВМ

И"6000 производится регистрация ускорения колебаний руки и электромиограмм мышцы предплечья. Осуществля- 25 ют электромагнитную стимуляцию мышц и, в частности, включая например, электростимулятор, причем вначале стимулируют двуглавую мышцу, потом трехглавую и далее обе сразу, дли- зо тельность импульсов задают равнЮй

50 мс, период повторения - 1 мс, амплитуду стимулирующих импульсов плавно увеличивают от 5 В до возникновения болевых ощущений. В проведенных экспериментах болевой порог практйчески для всех звеньев был окбло

300 В. В процессе эксперимента производят регистрацию параметров электростимуляционных импульсов. Магнит- 4 ная стимуляция мышц осуществляется, например, наложением постоянных магнитов на исследуемую мышцу.

20, 8 дой дополнительной пружиной во всем диапазоне частот генератора механических колебаний.

С магнитографа зарегистрированные процессы вводят в блок 10 анализа (ЭВМ М-6000), где после соответствующих преобразований, например фильтрации, рассчитыаются спектры ус корений колебаний биомеханического звена, спектры ЭМГ и их взаимные кор реляционно-спектральные характеристики. Поскольку спектры представляют собой энергетические оценки исследуемых процессов, то, сопоставляя рас" считанные спектры и соответствующие им параметры внешних воздействий и учитывая функциональное состояние испытуемого, определяют "тонкую структуру энергетических состояний биомеханического звена и распределение фазовых сдвигов между выходными параметрами возбуждающих систем и откликами биомеханической системы, а также режим возбуждения мышц, соответствующий максимальному отклику биомеханического звена. Аналогичные измерения, проводимые при найденном экстремальном режиме, позволяют определить скорость изменения параметров колебаний биомеханического звена при выполнении испытуемым дозированной работы.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют определить вклад отдельной мышцы в механический колебательный процесс и работоспособность мышц, что повышает эффективность диагностики.

Формула изобретения

1. Способ измерения параметров колебаний биомеханических звеньев человека, заключающийся в регистрации амплитудных частотных и фазовых характеристик механического колебательного процесса, совершаемого биомеханическим звеном при механическом возбуждении колебаний, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью определения вклада отдельной мышцы в механический колебательный процесс, одновременно при фиксированной температуре осуществляют статическое напряжение мышц в диапазоне моментов сил 0,5"200 Нм и возбуждение отдельных мышц электрическими импульсами с непрерывно изменяемым во времени периодом следования импульсов

950320

1-1000 мс, амплитудой импульсов в диапазоне 5-300 В и длительностью импульсов 0,05-10 мс, определяют разность параметров отклика биомеханического звена до и после электрического и статического возбуждения мышц, 2. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью определения работоспособности мышц, биомеханическое звено возбуждают при режиме его максимального отклика.

3. Устройство для измерения параметров колебаний биомеханических звеньев человека, содержащее возбудитель механических колебаний и регистратор характеристик механических колебаний возбудителя, соединенные между собой, биомеханическое звено с расположенным на нем регистратором характеристик механических колебаний биомеханического звена, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью определения вклада отдельной мышцы в механический колебательный процесс,оно дополнительно имеет блок измерения биопотенциалов мышц, электростимулятор, терморегулирующий блок и блок анализа, причем возбудитель механических колебаний, электростимулятор и терморегулчрующий блок воздействуют на мышцы биомеханического звена, к которым

5 подсоединены блок измерения биопотенциалов мышц, а выходы блока регистрации характеристик механических колебаний биомеханического звена, блока измерения биопотенциалов мышц и регистратора характеристик механических колебаний возбудителя соединены с входами блока анализа, выходы которого подключены к входам терморегулирующего блока, электростимулятора и возбудителя механических колебаний.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Агашин Д.К. Биомеханика ударно ных процессов. М., "Физкультура и спорт" 1977, с. 2- 8.

2. Кузнецов В. В. Особенности управления движениями B биомеханических системах при поддержании равно25 весия. Сборник трудов Всесоюзного симпозиума по биомеханическим проблемам управления спортивными движениями, Тбилиси, нМецниереба", 1978, с. 93-98.

ВНИИПИ Заказ 5799/6

Тираж 714 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород,ул.Проектная,4